Жёсткость воды и способы её устранения

УРОК - ИССЛ ЕД О В АН И Е
«Жёсткость воды и способы её устранения»
Цель урока-исследования — создать условия для самостоятельной проблемнопоисковой деятельности учащихся. Данная деятельность направлена на решение
проблемы, которую следует правильно сформулировать, затем обсудить пути её решения,
проверить возникшие гипотезы, провести эксперимент, собрать необходимые данные,
самостоятельно интерпретировать их и в итоге сделать выводы и обобщения.
Задачи обучения: сформировать понятия о жёсткости воды, её причинах и способах
устранения, в частности об ионном механизме устранения жёсткости; научить записывать
соответствующие уравнения реакций; показать необходимость и значение устранения
жёсткости воды в промышленности и быту,
Задачи развития: совершенствовать умения работать с учебными материалами,
выделять главное, составлять логические цепочки умозаключений (рассказ по ключевым
словам), наблюдать за веществами и происходящими с ними изменениями, осуществлять
перенос знаний на примере объяснения природных явлений, проводить исследовательские
процедуры, связно и доказательно формулировать выводы, развивать познавательный
интерес к предмету и процессу познания.
Учебные материалы: карточка с инструкцией к лабораторной работе «Жёсткость
воды и способы её устранения», учебный текст 1 «Жёсткость воды и способы её
устранения», учебный текст 2 «Карстовые явления», схема «Жёсткость воды и способы её
устранения», тестовое задание и бланк для тестирования на последнем этапе урока для
каждого учащегося,
Ход урока
Мотивационно-ориентировочныйэтап
Назначение этого этапа:
• мотивация учебной деятельности учащихся в ходе разъяснения значимости
изучаемых проблем и связи обучения с конкретным опытом каждого;
• выделение и формулирование проблемы, которую необходимо решить,
проговаривание (вербализация) возможных путей решения, предположений, гипотезы.
Учитель предлагает учащимся, опираясь на их личный опыт, определить, к какой
проблеме имеют отношение ключевые слова, и составить небольшой рассказ об этой
проблеме.
Ключевые слова: природная вода, жёсткость воды, растворимые соли кальция и
магния, жёсткая вода, умягчение воды, кипячение, сода, уксус, мягкая вода, мыло,
образование пены, накипь, перегрев котлов.
Во время обдумывания задания звучит музыка, возможные версии учащиеся
обсуждают в парах. Когда музыка умолкает, учитель предлагает сформулировать
проблему. Каждый учащийся может высказаться. Учитель не комментирует ответы и не
оценивает их, но внимательно следит за ходом дискуссии, задавая при необходимости
дополнительные, уточняющие вопросы, или приводит дополнительную информацию.
Проговаривание позволит выявить проблему.
Проблема. Природная вода обладает некоторыми свойствами, затрудняющими её
использование в промышленности и быту.
Учитель организует обсуждение, по результатам которого учащиеся формулируют и
записывают тему, цель и гипотезу исследования.
Тема исследования. Жёсткость воды.
Цель исследования. Изучить понятие «жёсткость воды» и определяющие её
факторы.
Гипотеза. Жёсткость воды — это совокупность её свойств, обусловленных
наличием примесей, которые можно устранить химическими способами.
Учитель предлагает составить план проведения исследования с учётом
возможностей химического кабинета.
После краткого обсуждения план исследования принимается.
План исследования
1. Проведение лабораторной работы по теме исследования.
2. Работа с учебным текстом «Жёсткость воды и способы её устранения».
3. Работа со схемой «Жёсткость воды и способы её устранения».
4. Просмотр фрагмента видеофильма «Карстовые пещеры».
5. Работа с учебным текстом «Карстовые явления».
6. Выводы.
Операционно-исполнительский этап
Это этап активного самостоятельного овладения новыми знаниями, новым опытом,
его рефлексивного осмысления.
Он включает:
• проверку возможных решений проблемы экспериментальным путём;
• сбор данных, их интерпретацию, формулировку выводов;
• применение полученных знаний в новых условиях, обобщение.
Учитель выступает как организатор самостоятельной исследовательской
деятельности учащихся, консультант при проведении эксперимента, оператор ИКТ при
просмотре видеофрагмента и координатор в сообществе учитель — учащиеся при
осмыслении результатов исследования.
Учащиеся работают в парах, учитель инструктирует их по правилам безопасности,
а затем школьники приступают к выполнению задания.
Лабораторная работа
«Жёсткость воды и способы её устранения»
Оборудование: пробирки с дистиллированной и жёсткой водой (3 шт.), известковая
вода; спиртовка, спички, пробиркодержатель.
Цель работы:______________________
Опыт 1. В пробирку 1 с дистиллированной водой пипеткой по одной капле
добавляйте мыльный раствор, после добавления каждой капли встряхивайте пробирку.
Мыльный раствор приливайте до получения устойчивой мыльной пены. Запишите,
сколько капель вам понадобилось.
Опыт 2. Повторите опыт 1 с пробиркой 2, в которой находится жёсткая вода.
Запишите в таблицу число капель мыльного раствора. Обратите внимание на осадок,
который образуется на стенках пробирки.
Опыт 3. К жёсткой воде в пробирке 3, постоянно взбалтывая, приливайте по
каплям известковую воду до появления неисчезающей взвеси. Повторите опыт 1.
Запишите в таблицу число капель мыльного раствора, необходимого для образования
устойчивой пены.
Опыт 4. Жёсткую воду в пробирке 4 прокипятите, после чего добавьте по каплям
мыльный раствор, результаты запишите в таблицу.
Результаты исследования
Пробирка
Число капель
мыльного раствора
1 (с дистиллированной водой)
2 (с жёсткой водой без обработки)
3 (после добавления известковой
воды)
4 (после кипячения)
Сопоставьте данные, полученные в процессе исследования, сделайте вывод.
Анализ данных позволяет сделать вывод, что_______________________________
Основное назначение лабораторного исследования — приобретение практического
опыта самостоятельного сбора фактов для последующего самостоятельного выстраивания
цепи рассуждений, ведущих к возможному решению проблемы. Полученные данные
учащиеся интерпретируют самостоятельно.
После проговаривания результатов исследования учитель организует работу с
учебным текстом 1.
Учебный текст 1
«Жёсткость воды и способы её устранения»
В природе чистая вода не встречается: она всегда содержит примеси каких-либо
веществ. Природные воды способны растворять соли, содержащиеся в земной коре,
приобретая при этом определённые свойства, одно из которых — жёсткость.
Жёсткость воды — совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде
катионов кальция Са2+ и магния Mg2+.
Если концентрация катионов кальция и магния велика, то воду называют жёсткой,
а если мала — мягкой. Именно эти ионы придают природным водам специфические
свойства.
При стирке белья жёсткая вода ухудшает качество тканей, увеличивает расход
мыла. Мыло расходуется на связывание катионов кальция и магния:
2С17Н35СОО- + Са2+ = (C17H35COO)2Ca↓;
2С17Н35СОО- + Mg2+ = (C17H35COO)2Mg↓.
Пена образуется только после полного осаждения катионов в виде нерастворимых
солей.
В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, сваренные в ней
овощи невкусны, плохо заваривается чай, и вкус его теряется. Регулярное употребление
жёсткой воды может стать причиной мочекаменной болезни. В то же время в санитарногигиеническом отношении эти катионы неопасны, хотя при большом содержании
катионов Mg2+ вода имеет горьковатый вкус (морская и океаническая вода) и оказывает
слабительное действие на кишечник человека.
Жёсткая вода непригодна для использования в паровых котлах: растворённые соли
при кипячении образуют на стенках котлов слой накипи, который плохо проводит тепло.
Это вызывает перерасход топлива, преждевременный износ котлов, а иногда, в результате
перегрева, и аварии. Жёсткая вода вредна для металлических конструкций, трубопроводов, кожухов охлаждаемых машин.
Жёсткость воды может быть временной (устраняется кипячением), и постоянной
(не устраняется при кипячении).
Временная жёсткость воды обусловлена наличием в ней гидрокарбонатов
кальция Са(НС03)2 и магния и Mg(HC03)2, поэтому её называют также карбонатной
жёсткостью. При кипячении гидрокарбонаты разлагаются и катионы Са2+, Mg2+
выводятся из раствора осаждением:
Са(НСО3)2 = CaCО3↓+ СО2↑ + Н2О;
Mg(HCО3)2 = MgCО3↓ + CО2↑ + Н2О.
Постоянная, или некарбонатная, жёсткость обусловлена главным образом
содержанием хлоридов и сульфатов кальция и магния.
Мягкую воду можно получить, добавляя к жёсткой воде соду и гашёную известь
для одновременного устранения временной и постоянной жёсткости.
Карбонатную жёсткость можно устранить добавлением гашёной извести:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓+ 2Н2О;
Са2+ + 2НСО -3 + Са2++ 2ОН- = 2СаСО3↓ + 2Н2О;
Mg(HCО3)2 + Ca(OH)2 = Mg(ОH)2↓+ СаСО3↓ + 2Н2О;
Mg2+ + 2НСО3- + Са2+ + 2ОН- = Mg(OH)2↓+ СаСО3↓ + 2Н2О,
а некарбонатную —добавлением соды:
СаС12 + Na2CO3 = СаСO3↓ + 2NaCl;
Са2++СО32- = СаСO3↓;
MgCl2 + Na2CO3 = MgCO3↓ + 2NaCl;
Mg2++CO 32- = MgCO3↓.
Существуют и другие способы устранения жёсткости воды. К числу современных
относится катионитныи способ, основанный на применении катионитов. Твёрдые
вещества, которые содержат подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней
среды, получили название иониты. Чаще всего используют ионообменные смолы,
получаемые на основе синтетических полимеров. Если пропускать воду через слои
катионита, то ионы натрия обмениваются на ионы кальция и магния, жёсткость при этом
устраняется.
Схематично этот процесс можно выразить следующим образом:
Са2+ + Na2R = 2Na+ + CaR;
Mg2+ + Na2R = 2Na+ + MgR.
Закончив работу с учебным текстом 1, учащиеся наблюдают демонстрационный
опыт «Устранение жёсткости воды ионитами».
Учитель предлагает учащимся заполнить схему «Жёсткость воды и способы её
устранения», а затем организует обсуждение результатов работы с текстом.
Далее учащиеся смотрят видеофрагмент «Образование карстовых пещер». В ходе
обсуждения увиденного они применяют приобретённые ими новый опыт и новые знания,
дают объяснение природных явлений, о которых идёт речь в представленном
видеофрагменте. Для проверки правильности своих высказываний учащиеся могут
воспользоваться учебным текстом 2.
Работа с текстом осуществляется с использованием технологии «Развитие
критического мышления через чтение и письмо», в частности маркировки текста.
Условные знаки
V — я прав, я так и думал;
- — я не прав, моё мнение ошибочно;
+ — это интересно, для меня новая информация;
? — это непонятно, хочется узнать больше.
Учебный текст 2
«Карстовые явления»
Часто в горные породы включены вещества, которые легко растворяются и
вымываются текущими водами. Явления, связанные с этими процессами, называют
карстовыми. Они впервые были изучены на известковом плато Карст в Словении. Вода,
просачиваясь по порам и трещинам, растворяет известняки, способствует их превращению
в каверны и пещеры. В процессе испарения воды появляются натёчные образования:
сталактиты (свисают с потолка пещеры) и сталагмиты (колонны, растущие снизу
вверх).
Растворимость карбоната кальция в воде мала. Однако углекислый газ вступает в
обратимую реакцию с водой, и в результате образуется слабая угольная кислота:
СО2 + Н2О → Н2СО3;
←
H2CО3 → H+ + НСО -3.
←
Угольная кислота взаимодействует со своей нерастворимой в воде средней солью
— карбонатом кальция — и переводит его в растворимую кислую соль — гидрокарбонат
кальция:
СаСО3 + СО2 + Н2О →Са(НСО3)2;
СаСО3 + СО2 + Н2О → Са2+ + 2НСО -з.
Та же реакция лежит в основе образования русла подземных ручьёв и рек. Вода,
растворяя известняк СаС03, обогащается солями кальция. Такую воду называют жёсткой.
Небольшое изменение температуры или концентрации углекислого газа в воздухе
приводит к смещению химического равновесия, и из раствора начинает медленно
кристаллизоваться карбонат кальция:
Са(НСО3)2 → CaCО3↓+ СО2↑+ Н2О.
Так в природе образуются карстовые пещеры, украшенные сталагнатами —
натёчными минеральными образованиями в виде
колонн, возникающих при соединении сталактитов и сталагмитов.
Рефлексивно-оценочный этап
На этом этапе проводятся оценка результатов исследования, самооценка,
осмысление учащимися своей деятельности на уроке.
Учитель вновь привлекает внимание учащихся к проблеме, цели и гипотезе
исследования, предлагает им обобщить результаты исследования по теме, подвести итоги
учебной работы на уроке. Учащиеся формулируют предметно-содержательные результаты
урока (как происходило усвоение темы, подтверждение выдвинутой гипотезы, какие
исследовательские процедуры оказались наиболее эффективными для поиска решения
проблемы). После этого школьники выполняют тестовое задание.
Выходной тест по теме
«Жёсткость воды»
1. ВРЕМЕННАЯ ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ ОБУСЛОВЛЕНА НАЛИЧИЕМ
а) Са(НСО3)2
г) Mg(HCО3)2
б) CaSО4
д) MgSО4
в) MgCl2
e) СаС12
2. ПОСТОЯННАЯ ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ ОБУСЛОВЛЕНА НАЛИЧИЕМ
а) Са(НСО3)2
б) CaSО4
в) MgCl2
г) Mg(HCО3)2
д) MgSО4
e) СаС12
3. КАК СМЯГЧИТЬ ВОДУ С ПОСТОЯННОЙ (НЕКАРБОНАТНОЙ) ЖЁСТКОСТЬЮ?
а) добавить соду Na2CО3
б) кипячением
в) добавить известковую воду Са(ОН)2
г) использовать иониты
д) добавить уксус
4. КАК СМЯГЧИТЬ ВОДУ С ВРЕМЕННОЙ (КАРБОНАТНОЙ) ЖЁСТКОСТЬЮ?
а) добавить соду Na2CО3
б) кипячением
в) добавить известковую воду Са(ОН)2
г) использовать иониты
д) добавить уксус
5. КАК СМЯГЧИТЬ ВОДУ С ОБЩЕЙ (КАРБОНАТНОЙ И НЕКАРБОНАТНОЙ) ЖЁСТКОСТЬЮ?
а) добавить соду Na2CО3
б) кипячением
в) добавить известковую воду Са(ОН)2
г) использовать иониты
д) добавить уксус
6. КАКУЮ ОПАСНОСТЬ ПРЕДСТАВЛЯЕТ НАКИПЬ, КОТОРАЯ ОБРАЗУЕТСЯ В ТОПОЧНЫХ
КОТЛАХ?
а) вызывает коррозию металла
б) вызывает преждевременный износ котла
в) вызывает перерасход топлива
7. УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИЙ, В РЕЗУЛЬТАТЕ КОТОРЫХ УСТРАНЯЕТСЯ ВРЕМЕННАЯ ЖЁСТКОСТЬ
а) CaSО4 + Na2CО3 = CaCО3↓+ Na2CО3
б) Са(НСО3)2 = CaCО3↓ + СО2↑ + Н2О
в) Mg(HCО3)2 = MgCО3↓ + CО2↑+ Н2О
г) MgCl2 + Na2CО3 = MgCО3↓ + 2NaCl
8. УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИЙ, В РЕЗУЛЬТАТЕ КОТОРЫХ УСТРАНЯЕТСЯ ПОСТОЯННАЯ ЖЁСТКОСТЬ
а) CaSО4 + Na2CО3 = CaCО3↓ + Na2CО3
б) Са(НСО3)2 = CaCО3↓ + C02↑ + H2О
в) Mg(HCО3)2 = MgCО3↓ + CО2↑ + Н2О
г) MgCl2 + Na2CО3 = MgCО3↓ + 2NaCl
После выполнения теста учитель проецирует правильные ответы на экран,
учащиеся осуществляют самопроверку.
Учитель подводит итоги урока (оценка усвоения учащимися исследовательских
процедур, их активность на уроке и др.). В качестве домашнего задания, кроме общего
(по учебнику), учащиеся по желанию получают индивидуальные задания. Они состоят в
подготовке небольшой (6-10 слайдов) компьютерной презентации на темы «Карстовые
пещеры» или «Жёсткость воды».